Конструирование радиоэлектронных средств

Рисунок 7.1 – Графика распределения высокочастотного тока по сечению печатного проводника

Явление поверхностного эффекта может быть количественно охарактеризовано эффективной глубиной проникновения тока, которая для немагнитных проводников определяется по формуле

где f – частота, МГц;

y = 0,5 r – коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия (значения коэффициента ψ для различных материалов приведены в таблице 7.1).

Таблица 7.1 – Значения коэффициента ψ для различных материалов

При определении сопротивления печатного проводника переменному току часто пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления (сопротивление квадратной площадки проводника со стороной 1 см). Удельное поверхностное сопротивление:

На основании вышеизложенного сопротивление печатного проводника на высоких частотах

21

Сопротивление наиболее распространенных в печатных платах плоских медных проводников на высоких частотах:

где ξ – коэффициент концентрации тока на углах сечения проводника (зависимость ξ от отношения ширины плоского проводника к толщине показана на рисунке 7.2).

Если медный проводник покрыт слоем какого-либо другого металла, то в числитель предыдущей формулы следует ввести поправочный коэффициент

Рисунок 7.2 – Графическая зависимость коэффициента концентрации тока ξ на углах сечения проводника от отношения его ширины b к толщине tп

Емкость и индуктивность между печатными проводниками

Емкость между печатными проводниками служит источником помех, оказывающих существенное влияние на работу аппаратуры. В данной методике указаны формулы для расчета собственной емкости и индуктивности между двумя близко расположенными печатными проводниками. На рисунке 9.3 представлены некоторые часто встречающиеся конфигурации печатных проводников, связи и различные варианты их взаимного расположения.

Емкость (пФ) между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины b (мм), расположенными на одной стороне платы:

где lп – длина участка, на котором проводники параллельны друг другу, мм;

εr – диэлектрическая проницаемость среды.

22

Емкость (пФ) между двумя параллельными проводниками шириной b (мм), расположенными по обе стороны печатной платы с толщиной диэлектрика а (мм):

Емкость (пФ) проводника печатной платы, у которой на обратной стороне имеется заземленная пластина:

Три последних выражения позволяют произвести оценку емкости (пФ) печатных проводников с точностью ± (20…30) %. Для более точных расчетов следует пользоваться общей формулой:

где ε – действующая диэлектрическая проницаемость,

k – поправочный коэффициент, значение которого определяется по графикам, изображенным на рисунке 7.3:

Рисунок 7.3 – Графическая зависимость поправочного коэффициента k от отношений расстояния между проводниками a к их ширине b1

Емкость (пФ) печатного конденсатора, электроды которого расположены по обе стороны печатной платы, при условии, что толщина платы много меньше линейных размеров обкладок конденсатора:

С учетом клеевого слоя:

23

где аК и εК – соответственно толщина и диэлектрическая проницаемость

клеевого слоя.

Иногда по заданной емкости, толщине и диэлектрической проницаемости печатной платы требуется определить площадь обкладок конденсатора. Собственная индуктивность (мкГн) печатного проводника шириной b (мм), толщиной tп (мм) и длиной lп (мм)

Индуктивность двух параллельных печатных проводников шириной b (мм), расположенных с одной стороны печатной платы с зазором а (мм), с противоположным направлением тока в них

Если размеры сечений проводников различны, то индуктивность такой пары

L = L1 + L2 – 2M,

где L1, L2 – собственная индуктивность (мкГн) соответственно первого и второго печатных проводников шириной b1 и b2;

М – взаимная индуктивность (мкГн) проводников, определяемая при условии lп >> 10 (b1 + b2 + b3):

Взаимная индуктивность двух печатных проводников, расположенных по прямой на одной стороне печатной платы с малым зазором между их совпадающими концами:

Если же концы проводников разнесены на значительное расстояние, то взаимная индуктивность (мкГн):

24

Проводники различной длины, расположенные параллельно по одну сторону печатной платы (см. рисунок 9.3, ж), обладают взаимной индуктивностью, определяемой формулой

Печатные проводники характеризуются волновым сопротивлением. Короткие связи (до 80 мм) выполняются чаще всего в виде одиночных печатных проводников, более длинные связи – в виде несимметричных и симметричных полосковых линий. Расчет волновых сопротивлений (Ом) печатных линий для симметричной и несимметричной полосковых линий можно производить соответственно по следующим приближенным формулам:

Эти выражения с достаточной степенью точности позволяют определять значение волнового сопротивления при tп <<b, tп << а, b > а. Во всех других случаях для определения волновых сопротивлений печатных проводников связи следует пользоваться номограммами и графиками, приведенными в справочной литературе по волновой технике. Часто при конструировании печатной платы необходимо решить обратную задачу: по заданному волновому сопротивлению печатной линии связи требуется найти ее геометрию. Для симметричной полосковой линии это задача может быть решена с помощью графика, приведенного на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 – Графические зависимости волнового сопротивления симметричной полосковой линии от соотношения геометрических размеров печатных проводников

25

Практическое занятие №1. Конструкторско-технологический расчет печатных плат (ПП).

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочные характеристики корпусов элементов и ИС, требования по организации связей, вытекающих из схемы функционального узла, а также перспективности выбранной технологической базы. Исходные данные для расчета элементов печатных плат следующие:

- шаг основной координатной сетки, устанавливаемый ГОСТ 10317–79, равный 2,5

мм;

-допуски отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящие от уровня технологии, материалов и оборудования;

-установочные характеристики навесных ЭРЭ.

Буквенные обозначения размеров конструкции платы даны на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Обозначения размеров конструкции платы: Hм – толщина материала основания печатной платы;

hф – толщина фольги; hп – толщина химико-гальванического покрытия; Hп – толщина печатной платы; Hпс – суммарная толщина печатной платы; b – гарантийный поясок; D – диаметр контактной площадки;

d – диаметр отверстия; t – ширина печатного проводника; Q – расстояние от края печатной платы до элемента рисунка;

l – расстояние между центрами (осями) элементов конструкции платы; S – расстояние между соседними элементами рисунка

Расчет элементов печатной платы проводится в следующей последовательности: 1) определяется номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

и приводится к предпочтительному ряду: 0,7; 1,1; 1,3; 1,5 мм; 2) наименьший номинальный диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле

где dв.о – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия – 0,05 мм;

26

tв.о – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки –

0,15 мм;

dтр – значение подтравливания диэлектрика в отверстии равно 0,03 мм для МПП, для ОПП, ДПП и ГПК – нулю;

Td – значение позиционного допуска расположения центра отверстия относительно узла координатной сетки – 0,15 мм;

TD – значение позиционного допуска расположения контактной площадки относительно номинального положения – 0,25 мм;

t н.о – нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки –

0,1 мм;

3) наименьшее номинальное расстояние l для прокладки n-го количества проводников рассчитывается по формуле

где D1, D2 – диаметры контактных площадок; n – количество проводников (рисунок 8.2);

Т1 – значение допуска печатного проводника (таблица 8.1).

Рисунок 8.2 – Трассировка печатных проводников в узком месте

Таблица 8.1 – Допуски расположения печатных проводников

4) толщина МПП рассчитывается по формуле

где НC – толщина слоя МПП;

Нпр – толщина прокладки (по стеклоткани).

27

Практическое занятие №2. Работа в системе автоматизированного проектирования (САПР).

На практическом занятии преподаватель демонстрирует пример использования двух систем автоматизированной проектирования для разработки печатных плат и проектирования корпуса модуля коммутации измерителя спектральной плотности мощности фазового шума, приведенного на рис. 9.1 Упомянутый измеритель разрабатывался автором курса в рамках выполнения опытно-конструкторской работы по созданию отечественной микросхемы – пятиразрядного программируемого делителя частоты в соответствии с государственным оборонным заказом на 2007 год (постановление правительства РФ № 812-37 от 28.12.2006 г.) и государственным контрактом №6163 от 11.05.2007 г.

Рисунок 9.1 – Модуль коммутации измерителя спектральной плотности мощности фазового шума

а) трехмерная модель модуля

б) и в) фотографии смонтированного модуля

28

Практическое занятие №3. Организационно-экономические аспекты производства ПП

Определение программы запуска печатных плат

При наличии брака на операциях технологического процесса (ТП) программ запуска заготовок печатных плат в производство должна быть больше программы выпуска на завершающей стадии ТП. При наличии технологических потерь на операциях программа запуска изделий на конкретной операции может отличаться от программы выпуска.

Программу запуска устанавливают с учетом процента выхода годных плат на каждой операции ТП, причем расчет проводят в обратной последовательности, начиная с последней операции ТП, считая что на ней должен быть 100 %-ый выход годных печатных плат. Программа запуска на любой операции является одновременно программой выпуска на предыдущей.

На каждой операции программу запуска определяют по формуле

(10.1)

Где – программа выпуска плат на предыдущей операции, шт.;

– процент выхода годных плат на данной операции, %.

Пример. В таблице 10.1 приведен пример расчета программы запуска заготовок печатных плат в производство для выпуска 100 000 шт. годных плат. Расчет начинают с последней операции «консервация ПП», после выполнения которой получают 100 000 шт. годных плат. Последовательно, переходя с последней операции на предпоследнюю (контроль ПП) и далее до первой (фотохимической), рассчитывая на каждой операции программу запуска по формуле 10.1, получают необходимую программу запуска в производство, равную 144 000 шт. с учетом брака на каждой операции.

Таблица 10.1 – Пример расчета программы запуска для получения 100 000 шт. ПП

29

Определение процента выхода годных печатных плат

Процент выхода годных плат – процентное отношение количества ПП, признанных годными, т.е. удовлетворяющих всем требованиям ТУ, к количеству ПП, запущенных на операцию (отношение количества ПП на выходе данной операции к количеству ПП на входе). Процент выход годных плат в конце технологического процесса определяют по формуле

где – процент выхода годных плат на каждой операции; n – количество операций ТП.

Из предыдущего пример следует, что

Таким образом, процент выхода годных плат в результате девяти операций составил 69,5 %.

Определение количества оборудования, оснащения и рабочих мест

Номенклатура оборудования определяется технологическим процессом изготовления ПП.

Исходными данными для определения количества оборудования являются:

Годовая программа выпуска;

Производительность единицы оборудования;

Трудоемкость изготовления одной печатной платы;

Годовой фонд работы единицы оборудования.

Расчетное количество оборудования на каждой операции определяют по

где – годовая программа запуска на данной операции, шт.; П – производительность единицы оборудования, шт./ч; Ф – годовой фонд работы единицы оборудования, ч или по формуле

где t – трудоемкость по видам работ, мин;

– коэффициент, определяющий норму обслуживания оборудования производственными рабочими (варьируется от 0,4 до 0,6).

В таблице 10.2 приведен годовой фон времени работы различных видов оборудования при работе в одну, две и три смены.

Таблица 10.2 – Годовой фонд рабочего времени работы различных видов оборудования

30